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共给出9道典型题目
第七章 实数的完备性
§1 关于实数完备性的基本定理
验证数集有且只有两个聚点和.
分析:根据聚点定义,分别找各项互异的收敛数列,,使其极限分别为-1和1.再由聚点定义2,用反证法,对,关键在找存在,使U()内含有中有限多个点.
解:记则
, ,且.由定义知,为的两个聚点.
对,则取, 落在U()内部至多只有有限点, 则不是其聚点.
2.证明 任何有限数集都没有聚点.
分析:由聚点定义2即可证明.
证明:由定义2知,聚点的任何邻域内都含有数集的无穷多个点,而对于有限数集,不可能满足此定义,因此,任何有限数集都没有聚点。
3.设是一个严格开区间套,即满足且.证明:存在唯一的一点,使。
分析:构造闭区间套,应用区间套定理得证。
证明:i) 设,则()且 .由区间套定理知,存在唯一的,使得.
若同时存在且 (n=1,2……),则,而,矛盾。故必有.
由i)、ii)结论得证.
4.试举例说明:在有理数集内,确界原理、单调有界定理、聚点定理和柯西收敛准则一般都不能成立。
分析:有理数集有上确界,而是无理数,也是其聚点,极限.还可用的精确到小数点后一位、二位……的不足近似值数列与过剩近似值数列与来解决.
解: 取的精确到小数点后一位、二位……的不足近似值数列与过剩近似值数列与,即
则均为有理数列;而
由确界原理知,有界数列必有确界,且在实数范围内,。故在有理数范围内有上界但无上确界,有下界但无下确界。
由单调有界定理知,单调增加有上界,单调减少有下界,故均存在。在实数范围内。但由极限的唯一性知,在有理数范围内均不存在。
由聚点定理知,有界无穷数列必有聚点,在实数范围内均有唯一聚点。故在有理数范围内,有界无穷数列均无聚点。
由于在实数范围内,故对于,当时,,而在有理数范围内,依然满足柯西准则条件,但无极限。
5.设, 问
(1)H能否覆盖?
(2)能否从H中选出有限个开区间覆盖(i) (ii) ?
分析: 根据聚点定义,若能覆盖,则关键在于找出针对每个点相对应的开区间;若不能,则关键在找出点,使得它不含于任何一个给定的开区间.
解: (1)对于,由阿基米德性质知,只须取,使得,则,由的任意性知,能覆盖(0,1).
(2) i) 若在中存在的一个有限开覆盖,则在的有限个开区间中可找到最靠近0点的开区间。记为,则取,由于,故这一点不属于中任一开区间,与为的有限开覆盖矛盾。故不能对有限覆盖。
ii) 取(),则覆盖了.故能对有限覆盖.
6.证明:闭区间的全体聚点的集合是本身。
分析:根据聚点定义2 ,首先对,,中有无穷多个点属于。再对,即或,关键在找到一个确定的,使中不含中无穷多个点。
证明:i) 对于,当时,对于的任意邻域,限制:,则中有无穷个点. 当时,对于的任意邻域,限制: ,则中有无穷个点. 当时,对于的任意邻域,限制: ,则中有无穷个点.
ii) 若是的聚点,且,当,令,则u是空集. 当,令,则u是空集.
综合上述两种情形,则结论成立.
7.设为单调数列.证明:若存在聚点,则必是唯一的,且为的确界。
分析:不妨设为递增数列(递减数列同理可证),设为任一实数且,关键在找,使中最多含有的有限多个项。用确界与数列极限的定义处理.
证明: 设递增数列的聚点,设为任一实数且,不妨设,取,由聚点定义,中含有的无限多个项,设,由的递增性,当,故中最多含有的有限多个项:,所以不可能是的聚点,由的任意性,为的唯一聚点。
现在证明:=,事实上,
(1) 为的上界,反之,若存在,则当nN时,有,取则在内最多含有的有限多个项,n=1,2,……N-1,与聚点相矛盾。
(2)因为对正整数,,从而结合(1)便知. 对递减数列类似可证.
8.试用有限覆盖定理证明聚点定理。
分析:设E为有界无穷点集,因此存在,使得。由上述习题6知,的聚点均含于,故E若有聚点,必含于。再利用反证法,对于,必有相应的,使得内至多只有点(若,则中不含E中之点)。所有这些邻域的全体形成的一个无限开覆盖,根据有限覆盖定理,当中有有限个邻域覆盖,也覆盖了E,由构造含意知,这有限个邻域中至多有有限个点属于E,这与E为无穷点集相矛盾。因此,在内一定有E的聚点.
证明: 设E为有界无穷点集,因此存在,使得。由上述习题6知,的聚点均含于,故E若有聚点,必含于。
反证法:若E无聚点,即中任何一点都不是E的聚点,则对于,必有相应的,使得内至多只有点(若,则中不含E中之点)。所有这些邻域的全体形成的一个无限开覆盖:
。
由有限覆盖定理知,中存在有限个开区间能覆盖。记
。
为的一个有限开覆盖,则也覆盖E,由构造含意知,中个邻域内至多有有限个点属于E,
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